Mikrostrukturen und Ultraschall ‚Äď eine vielversprechende Kombination

F√ľr den optimalen Einsatz von Mikroreaktoren in der Industrie gilt es, ‚ÄěProzessfenster‚Äú zu finden, in denen die Verwendung solcher Mikrostrukturen gegen√ľber herk√∂mmlichen ‚ÄěR√ľhrkesseln‚Äú deutliche Vorteile hat. Gegenstand dieses Projekt war es, einen neuartigen, ultraschallgest√ľtzten Multiphasenprozess am Beispiel der industrierelevanten Aminierung von Kohlenwasserstoffen zu untersuchen und zu entwickeln.

Mikrostrukturreaktoren verf√ľgen √ľber ein kleines internes Volumen sowie √ľber ein gro√ües Verh√§ltnis von Oberfl√§che zu Volumen. Kurze Diffusionswege und gro√üe Phasengrenzfl√§chen k√∂nnen zudem den Stoff¬≠transport erh√∂hen. Diese speziellen Eigenschaften sorgen in Mikroreaktoren f√ľr eine rasche und effektive Durchmischung in Mehrphasensystemen. Durch eine Kombination mit der Ultraschalltechnik kann dieser Effekt intensiviert und eine Mehrphasenreaktion schneller und mit h√∂heren Ausbeuten durchgef√ľhrt werden.

Ziel dieses Projektes war deshalb die Entwicklung eines neuartigen ultra¬≠schall¬≠ge¬≠st√ľtz¬≠ten fl√ľs¬≠sig/fl√ľssig-Zweiphasenprozesses, der durch intensiveren Energie¬≠ein¬≠trag h√∂here Durch¬≠s√§tze erlaubt. Dar√ľber hinaus wurde der Einfluss von Mikro¬≠struk¬≠tur¬≠para¬≠me¬≠tern (z.B. Kanal¬≠innen¬≠durch¬≠messer, Mate¬≠rial) auf den Ultra¬≠schall¬≠eintrag untersucht.

Bild 1 - Zunahme der Phasengrenzflächen eines Zwei-Phasen-Systems durch Verwendung eines Mikrostrukturreaktors (Mitte) und bei Ultraschalleintrag (rechts)

Dazu wurde eine Anlage mit Mikrostrukturen und Ultraschalleintrag entwickelt, gebaut und getestet. Wesentliche Merkmale sind dieser Anlage sind:

Bild 2 - Modellreaktion

Laser¬≠mes¬≠sungen wurden durch den Projektpartner JTT durchgef√ľhrt, um die Position der Mikro¬≠struk¬≠tu¬≠ren im Druckbeh√§lter zu opti¬≠mie¬≠ren. Anschlie√üend haben wir den Einfluss des Ultra¬≠schall¬≠ein¬≠trags auf ein zweiphasiges System (Tolu¬≠ol/Was¬≠ser) in einem Mikrokanal mit einer Hoch¬≠ge¬≠schwin¬≠dig¬≠keits¬≠kamera beobachtet: Blasen mit schwing¬≠en¬≠der Ober¬≠fl√§che sorgen f√ľr die Bil¬≠dung nicht stabiler Emulsionen (Bild 1).

Als Mo¬≠dell¬≠reak¬≠tion zur Quanti¬≠fi¬≠zie¬≠rung des Ultra¬≠schall¬≠ein¬≠flus¬≠ses diente die Hydrolyse von p‚ÄĎNitro¬≠phenyl¬≠acetat (Bild 2). Diese Esterspaltung wurde bereits von Wirth et al.[1a] im Ultra¬≠schall¬≠bad bei einem maximalen Durchsatz von 0,0004 mmol/min untersucht. F√ľr die konti¬≠nuier¬≠liche Pro¬≠zess¬≠f√ľhrung ohne und mit Ultra¬≠schall¬≠eintrag wurden Mikro¬≠struk¬≠turen aus ver¬≠schie¬≠de¬≠nen Mate¬≠rialien (PTFE, PEEK, Glas) mit vari¬≠ieren¬≠den Kanal¬≠innen¬≠durch¬≠mes¬≠sern (ID) eingesetzt (Bild 3) PTFE-Schl√§uche eig¬≠ne¬≠ten sich am besten. Als Ergebnis der Ultraschalluntersuchungen zeigte sich: Ge¬≠gen¬≠√ľber der Pro¬≠zess¬≠f√ľhrung ohne Ultra¬≠schall konnte die Ausbeute bei einem Durch¬≠satz von 0,0125¬†mmol/min um einen Faktor von 7 ge¬≠stei¬≠gert wer¬≠den (250¬†s Verweilzeit, ID¬†2,4¬†mm) (Bild 4). Pro¬≠jekt¬≠begleitende √∂kobilanzielle Bewertungen der Universit√§t Jena ergaben ein verringertes Um¬≠welt¬≠be¬≠lastungs¬≠po¬≠ten¬≠tial: Zwar erh√∂ht sich durch den Ener¬≠gie¬≠ein¬≠trag mittels Ultra¬≠schall der Energiebedarf, gleichzeitig resultieren aber h√∂¬≠he¬≠re Reaktionsausbeuten.

Bild 3 - Experimenteller Aufbau

Numerische Strö­mungs­simulationen des Projektpartners ASD GmbH haben zum Ver­ständ­nis der ablaufenden Pro­zesse im Mikrokanal beigetragen. Mo­delle und Ex­pe­ri­mente lieferten stets gute Über­ein­stim­mungen. Auf Basis der Modelle konnte die Pha­sen­grenz­fläche zwischen Wasser und To­lu­ol in ver­schie­de­nen Mikro­strukturen be­stimmt werden.

Bild 4 - Produktausbeuten der kontinuierlichen Esterspaltung in PTFE-Schläuchen mit verschiedenen Innendurchmessern ohne und mit Ultraschall.

Projektpartner:
Leibniz‚ÄďInstitut f√ľr Katalyse e.V. an der Universit√§t Rostock (LIKAT)
Außenstelle Berlin
Richard‚ÄďWillst√§tter‚ÄďStr. 12
12489 Berlin
Dr. Sandra H√ľbner
Dr. habil. Klaus Jähnisch
Tel.: (030) 6392 4330
Fax: (030) 6392 4454
sandra.huebner@catalysis.de
www.catalysis.de

Little Things Factory GmbH
Ehrenbergstr. 1
98693 Ilmenau
Alexander Schilling
Tel.: (03677) 465 156
a.schilling@ltf-gmbh.de

ASD Advanced Simulation & Design GmbH
Erich‚ÄďSchlesinger‚ÄďStr. 50
18059 Rostock
Dr. Catrin Bludszuweit‚ÄďPhilipp
Tel.: (0381) 4403 270
epost@asd-online.com

JTT ‚Äď ingo j√§nich ultraschall+technologien
Goethestr. 22f
16356 Ahrensfelde
Dipl.‚ÄďIng. Ingo J√§nich
Tel.: (030) 2023 5025
ingo.jaenich@jtt-ultraschall.de

Friedrich‚ÄďSchiller‚ÄďUniversit√§t Jena (Uni Jena)
Institut f√ľr Technische Chemie und Umweltchemie (ITUC)
Lessingstr. 12
07743 Jena
Dr. Dana Kralisch
Tel.: (03641) 948457
dana.kralisch@uni-jena.de

AZ 25836